JP6450722B2

JP6450722B2 - モータ駆動装置およびモータ駆動方法

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Publication number: JP6450722B2
Application number: JP2016198058A
Authority: JP
Inventors: 兼一奥秋; 山本　和弘; 和弘山本
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: US20180102727A1; CN107919835A; JP2018061369A; DE102017217560A1; US10116251B2; CN107919835B

Description

本発明は、モータ駆動装置およびモータ駆動方法に関する。

従来、工作機械の送り軸や産業用ロボットのアーム等を駆動するためのモータ駆動装置においては、モータへ電力を供給するパワー素子の発熱による各種の不具合（パワー素子の誤動作、部品寿命の短縮、モータ駆動装置の稼働率の低下など）を未然に防止することが重要である。そのため、一般的には、発熱源であるパワー素子にヒートシンク（放熱板）を取り付け、自然対流によってパワー素子の放熱を促す。さらに、このヒートシンクに冷却ファンを併用することにより、強制対流によってパワー素子の放熱を一層促進する。

ところが、このようなモータ駆動装置では、その使用中において、パワー素子の放熱ルートに故障が発生する場合がある。この故障は、ヒートシンクの温度異常と冷却ファンの回転異常とに分けて考えることができる。ヒートシンクの温度異常の原因としては、例えば、冷却ファンによる強制対流に伴ってヒートシンクの吸気口付近のフィンに塵埃や切削液が付着し、そこに目詰まりが発生することが挙げられる。

こうした放熱ルートの故障を検出する手法としては、ヒートシンクの実温度を検出するとともに、ヒートシンクの推定温度を計算し、これらの実温度と推定温度との差が所定の閾値を超えるか否かで異常の有無を判定する方法（以下、公知技術１という。）がある（例えば、特許文献１参照）。

また、エレベータに適用されるインバータ装置のスイッチング素子を冷却するための冷却ファンに関しては、その異常を検出すべく、ヒートシンクの温度の実測値と予測値とを比較し、その比較結果に応じて冷却ファンに異常が生じているか否かを判定する方法（以下、公知技術２という。）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−１８７７８９号公報特開２０１２−１１５０８１号公報

しかしながら、公知技術１では、単にヒートシンクの実温度と推定温度との差に基づいて異常の有無を判定しているため、異常の有無を判定するための閾値をうまく設定しないと、異常の検出を必ずしも適切に行えない場合がある。例えば、この閾値が小さ過ぎると、実際には異常が発生していないにもかかわらず、異常が発生したと誤判定しやすい。逆に、この閾値が大き過ぎると、異常の検出までに時間がかかり、異常の検出を迅速に行えない。

なお、特許文献１には、異常の有無を判定する際に、温度検出部を介してヒートシンクの実温度を検出するとともに、電流検出部を介して電流値を検出してヒートシンクの推定温度を計算すると記載されている。ところが、実際には、稼働中の工作機械などにおいて、モータが加減速を繰り返す場合があり、この場合には、モータの発熱量が一定にならず、ヒートシンクの推定温度を適正に計算することができないため、異常の有無を判定するのが困難になる恐れがある。

一方、公知技術２には、ヒートシンクではなく冷却ファンの異常を検出するための技術が含まれているに過ぎない。すなわち、公知技術２では、ヒートシンクの温度の実測値と予測値とを比較しているが、その目的は、冷却ファンの異常を検出することであり、ヒートシンクの異常を検出することではない。

本発明は、このような事情に鑑み、ヒートシンクの異常を精度よく検出することが可能なモータ駆動装置およびモータ駆動方法を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ駆動装置（例えば、後述のモータ駆動装置１）は、パワー素子（例えば、後述のパワー素子２）からモータ（例えば、後述のモータ３）へ電力を供給し、ヒートシンク（例えば、後述のヒートシンク５）によって前記パワー素子を放熱するモータ駆動装置であって、前記ヒートシンクの実温度を検出する温度検出部（例えば、後述の温度検出部１１）と、前記パワー素子から前記モータへの電流を検出する電流検出部（例えば、後述の電流検出部１２）と、前記温度検出部が検出した前記ヒートシンクの実温度から、時間に対する前記ヒートシンクの実温度変化を算出する実温度変化算出部（例えば、後述の実温度変化算出部１３）と、前記電流検出部が検出した電流に基づいて算出した前記ヒートシンクの推定温度から、時間に対する前記ヒートシンクの推定温度変化を算出する推定温度変化算出部（例えば、後述の推定温度変化算出部１４）と、前記実温度変化算出部が算出した実温度変化が、前記推定温度変化算出部が算出した推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かにより、前記ヒートシンクの温度異常の有無を判定する温度異常判定部（例えば、後述の温度異常判定部１５）と、を備えている。

前記温度異常判定部は、前記実温度変化算出部が算出した実温度変化と前記推定温度変化算出部が算出した推定温度変化との差が所定の閾値を超えた場合に、前記ヒートシンクの温度異常が発生したと判定してもよい。

前記ヒートシンクは、流体の流路を有し、前記ヒートシンクの前記流路の流体を流動させる冷却ファン（例えば、後述の冷却ファン６）と、前記冷却ファンの回転異常の有無を判定する回転異常判定部（例えば、後述の回転異常判定部１６）と、を備えていてもよい。

前記温度異常判定部および前記回転異常判定部の判定結果に基づいて、前記ヒートシンクの温度異常または前記冷却ファンの回転異常の有無を判定する異常判定部（例えば、後述の異常判定部１７）を備えていてもよい。

前記異常判定部は、前記回転異常判定部によって前記冷却ファンの回転異常が発生していないと判定され、前記温度異常判定部によって前記ヒートシンクの温度異常が発生したと判定された場合に、異常箇所が前記ヒートシンクであると判定してもよい。

前記温度異常判定部または前記回転異常判定部によって前記ヒートシンクの温度異常または前記冷却ファンの回転異常が発生したと判定された場合に、異常信号を生成する異常信号生成部（例えば、後述の異常信号生成部１８）を備えていてもよい。

前記異常信号を受信した場合に、使用者に対して警報を出力する警報出力部（例えば、後述の警報出力部１９）を備えていてもよい。

本発明に係るモータ駆動方法は、パワー素子からモータへ電力を供給し、ヒートシンクによって前記パワー素子を放熱するモータ駆動方法であって、前記ヒートシンクの実温度を検出する温度検出ステップと、前記パワー素子から前記モータへの電流を検出する電流検出ステップと、前記温度検出ステップで検出した前記ヒートシンクの実温度から、時間に対する前記ヒートシンクの実温度変化を算出する実温度変化算出ステップと、前記電流検出ステップで検出した電流に基づいて算出した前記ヒートシンクの推定温度から、時間に対する前記ヒートシンクの推定温度変化を算出する推定温度変化算出ステップと、前記実温度変化算出ステップで算出した実温度変化が、前記推定温度変化算出ステップで算出した推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かにより、前記ヒートシンクの温度異常の有無を判定する温度異常判定ステップと、をコンピュータが実行する。

本発明によれば、モータ駆動装置において、ヒートシンクの実温度変化がヒートシンクの推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かにより、ヒートシンクの温度異常の有無を判定することから、ヒートシンクの異常を精度よく検出することが可能となる。

本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す斜視図である。本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の制御系を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るモータ駆動装置における異常検出指令までの処理を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係るモータ駆動装置における異常検出実行処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置１の構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置１の制御系を示すブロック図である。

モータ駆動装置１は、図１に示すように、パワー素子２と、ヒートシンク５と、冷却ファン６と、を備えている。そして、図２に示すように、工作機械の送り軸や産業用ロボットのアーム等を駆動するモータ３へパワー素子２から電力を供給し、ヒートシンク５によってパワー素子２を放熱するとともに、冷却ファン６によってヒートシンク５の流路の流体を流動させることにより、パワー素子２を効率的に放熱して、パワー素子２の発熱による不具合を未然に防止しつつ、モータ３を回転させるものである。

ここで、モータ駆動装置１は、プリント基板７を有しており、プリント基板７の一方の面（図１右側の面）には２個の電流検出素子９が実装されている。プリント基板７の他方の面（図１左側の面）には、温度検出素子８および２個のパワー素子２が実装されている。これらの温度検出素子８およびパワー素子２には、ヒートシンク５が密着状態で取り付けられている。ヒートシンク５の排気側には冷却ファン６が装着されており、この冷却ファン６を駆動することにより、ヒートシンク５の流路の流体を吸気側から排気側へ流動させるように構成されている。

さらに、モータ駆動装置１は、図２に示すように、その制御系として、温度検出部１１と、電流検出部１２と、実温度変化算出部１３と、推定温度変化算出部１４と、温度異常判定部１５と、回転異常判定部１６と、異常判定部１７と、異常信号生成部１８と、警報出力部１９と、を備えている。

温度検出部１１は、温度検出素子８を介してヒートシンク５の実温度を検出する。

電流検出部１２は、電流検出素子９を介してパワー素子２からモータ３への電流を検出する。

実温度変化算出部１３は、温度検出部１１が検出したヒートシンク５の実温度から、時間に対するヒートシンク５の実温度変化を算出する。

ここで、「時間に対するヒートシンク５の実温度変化」とは、時間の経過に伴ってヒートシンク５の実温度がどのように増減するかを表すものである。その一例としては、ヒートシンク５の実温度を時間で除したもの（単位で表示すると、℃／分）が考えられる。

推定温度変化算出部１４は、電流検出部１２が検出した電流に基づいて推定温度を算出し、この推定温度から、時間に対するヒートシンク５の推定温度変化を算出する。

ここで、「時間に対するヒートシンク５の推定温度変化」とは、時間の経過に伴ってヒートシンク５の推定温度がどのように増減するかを表すものである。その一例としては、ヒートシンク５の推定温度を時間で除したもの（単位で表示すると、℃／分）が考えられる。

温度異常判定部１５は、実温度変化算出部１３が算出したヒートシンク５の実温度変化が、推定温度変化算出部１４が算出したヒートシンク５の推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かにより、ヒートシンク５の温度異常の有無を判定する。

例えば、ヒートシンク５の推定温度変化に基づく許容範囲が５〜９℃／分である場合、ヒートシンク５の実温度変化が８℃／分であれば、ヒートシンク５に温度異常は発生していない（正常である）と判定し、ヒートシンク５の実温度変化が１１℃／分であれば、ヒートシンク５に温度異常が発生していると判定する。

具体的には、温度異常判定部１５は、実温度変化算出部１３が算出したヒートシンク５の実温度変化と、推定温度変化算出部１４が算出したヒートシンク５の推定温度変化との差を算出し、この差が所定の閾値を超えた場合に、ヒートシンク５の温度異常が発生したと判定し、この差が所定の閾値を超えない場合に、ヒートシンク５の温度異常が発生していないと判定する。

このように、温度異常判定部１５では、ヒートシンク５の温度異常の有無を判定する際に、ヒートシンク５の実温度変化がヒートシンク５の推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かにより、この判定を実行する。したがって、公知技術１に比べて、ヒートシンク５の温度異常を精度よく検出することが可能となる。

すなわち、公知技術１では、上述したとおり、単にヒートシンク５の実温度と推定温度との差（単位で表示すると、℃）に基づいて異常の有無を判定しているため、異常の有無を判定するための閾値をうまく設定しないと、異常の検出を必ずしも適切に行えない場合がある。これに対して、本実施形態に係るモータ駆動装置１では、ヒートシンク５の温度そのものではなく温度変化（単位で表示すると、℃／分）に基づいて異常の有無を判定しているので、ヒートシンク５の今後の温度変化を予測（先読み）することにより、ヒートシンク５の温度異常を精度よく検出することが可能となる。

回転異常判定部１６は、公知の手法により、冷却ファン６の回転異常の有無を判定する。

異常判定部１７は、温度異常判定部１５および回転異常判定部１６の判定結果に基づいて、ヒートシンク５の温度異常または冷却ファン６の回転異常の有無を判定する。具体的には、回転異常判定部１６によって冷却ファン６の回転異常が発生していないと判定され、温度異常判定部１５によってヒートシンク５の温度異常が発生したと判定された場合に、異常箇所がヒートシンク５であると判定する。

異常信号生成部１８は、温度異常判定部１５または回転異常判定部１６によってヒートシンク５の温度異常または冷却ファン６の回転異常が発生したと判定された場合に、異常信号を生成する。

警報出力部１９は、異常信号生成部１８が生成した異常信号を受信した場合に、使用者に対して警報を出力する。

図３は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置における異常検出指令までの処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、図示しない主制御部は、モータ３を駆動する。

ステップＳ２において、図示しない主制御部は、異常検出指令が出力されたか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ３に移行し、この判定がＮＯの場合、処理を終了する。

ステップＳ３において、図示しない主制御部は、モータ駆動装置１における異常検出処理を実行する。

図４は、この異常検出処理を示すフローチャートである。

ステップＳ３１において、回転異常判定部１６は、冷却ファン６の回転異常の有無を判定する。その結果、冷却ファン６の回転異常がある場合、処理を終了し、冷却ファン６の回転異常がない場合、ステップＳ３２に移行する。

ステップＳ３２において、温度検出部１１は、ヒートシンク５の実温度を検出するとともに時間を計測し、電流検出部１２は、パワー素子２からモータ３への電流を検出するとともに時間を計測する。

ステップＳ３３において、実温度変化算出部１３は、時間に対するヒートシンク５の実温度変化を算出し、推定温度変化算出部１４は、時間に対するヒートシンク５の推定温度変化を算出する。

ステップＳ３４において、温度異常判定部１５は、ヒートシンク５の温度異常の有無を判定する。それには、実温度変化算出部１３が算出した実温度変化が、推定温度変化算出部１４が算出した推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ３５に移行し、この判定がＮＯの場合、処理を終了する。

ステップＳ３５において、異常信号生成部１８は、ヒートシンク５の温度異常が発生している旨の信号を受信して、異常信号を生成する。

ステップＳ３６において、警報出力部１９は、異常信号生成部１８が生成した異常信号を受信して、使用者に対して警報を出力する。

以上のように、本実施形態によれば、ヒートシンク５の実温度変化がヒートシンク５の推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かにより、このヒートシンク５の温度異常の有無を判定することから、ヒートシンク５の異常を精度よく検出することが可能となる。その結果、モータ駆動装置１の異常箇所を迅速に特定することができ、モータ駆動装置１の保守時間を短縮することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本実施形態の異常検出処理（図４）では、ヒートシンク５の温度異常が発生したときのみ、異常信号を生成して使用者に対して警報を出力する場合について説明した。しかし、冷却ファン６の回転異常が発生したときのみ、異常信号を生成して使用者に対して警報を出力してもよい。また、ヒートシンク５の温度異常と冷却ファン６の回転異常のいずれかが発生したときに、異常信号を生成して使用者に対して警報を出力しても構わない。

モータ駆動装置１による制御方法は、ソフトウエアによって実現される。ソフトウエアによって実現される場合には、このソフトウエアを構成するプログラムが、コンピュータ（モータ駆動装置１）にインストールされる。また、このプログラムは、リムーバブルメディアに格納（記録）されてユーザに配布されてもよく、ネットワークを介してユーザのコンピュータにダウンロードされることにより配布されてもよい。さらに、これらのプログラムは、ダウンロードされることなくネットワークを介したＷｅｂサービスとしてユーザのコンピュータに提供されてもよい。

１……モータ駆動装置
２……パワー素子
３……モータ
５……ヒートシンク
６……冷却ファン
１１……温度検出部
１２……電流検出部
１３……実温度変化算出部
１４……推定温度変化算出部
１５……温度異常判定部
１６……回転異常判定部
１７……異常判定部
１８……異常信号生成部
１９……警報出力部

Claims

パワー素子からモータへ電力を供給し、流体の流路を有するヒートシンクと前記ヒートシンクの前記流路の流体を流動させる冷却ファンによって前記パワー素子を放熱するモータ駆動装置であって、
前記ヒートシンクの実温度を検出する温度検出部と、
前記冷却ファンの回転異常の有無を判定する回転異常判定部と、
前記パワー素子から前記モータへの電流を検出する電流検出部と、
前記温度検出部が検出した前記ヒートシンクの実温度から、時間に対する前記ヒートシンクの実温度変化を算出する実温度変化算出部と、
前記電流検出部が検出した電流に基づいて算出した前記ヒートシンクの推定温度から、時間に対する前記ヒートシンクの推定温度変化を算出する推定温度変化算出部と、
前記実温度変化算出部が算出した実温度変化が、前記推定温度変化算出部が算出した推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かにより、前記ヒートシンクの温度異常の有無を判定する温度異常判定部と、
前記温度異常判定部及び前記回転異常判定部の判定結果に基づいて、前記ヒートシンクの温度異常又は前記冷却ファンの回転異常の有無を判定する異常検出処理を行う異常判定部と、
前記異常判定部によって前記ヒートシンクの温度異常又は前記冷却ファンの回転異常が発生したと判定された場合に、異常信号を生成する異常信号生成部と、
を備え、
前記異常判定部は、前記異常検出処理において、最初に前記回転異常判定部によって前記冷却ファンの回転異常の有無を判定し、その結果、回転異常有りと判定された場合、処理を終了して前記異常信号生成部に回転異常が発生したことを通知し、回転異常無しと判定された場合、次に前記温度異常判定部によってヒートシンクの温度異常の有無を判定し、その結果、温度異常有りと判定された場合、処理を終了して前記異常信号生成部に温度異常が発生したことを通知するものである、
モータ駆動装置。
前記温度異常判定部は、前記実温度変化算出部が算出した実温度変化と前記推定温度変化算出部が算出した推定温度変化との差が所定の閾値を超えた場合に、前記ヒートシンクの温度異常が発生したと判定する請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記異常信号を受信した場合に、使用者に対して警報を出力する警報出力部を備えている請求項１又は２のいずれかに記載のモータ駆動装置。
パワー素子からモータへ電力を供給し、流体の流路を有するヒートシンクと前記ヒートシンクの前記流路の流体を流動させる冷却ファンによって前記パワー素子を放熱するモータ駆動方法であって、
前記ヒートシンクの実温度を検出する温度検出ステップと、
前記冷却ファンの回転異常の有無を判定する回転異常判定ステップと、
前記パワー素子から前記モータへの電流を検出する電流検出ステップと、
前記温度検出ステップで検出した前記ヒートシンクの実温度から、時間に対する前記ヒートシンクの実温度変化を算出する実温度変化算出ステップと、
前記電流検出ステップで検出した電流に基づいて算出した前記ヒートシンクの推定温度から、時間に対する前記ヒートシンクの推定温度変化を算出する推定温度変化算出ステップと、
前記実温度変化算出ステップで算出した実温度変化が、前記推定温度変化算出ステップで算出した推定温度変化に基づく許容範囲から外れているか否かにより、前記ヒートシンクの温度異常の有無を判定する温度異常判定ステップと、
前記温度異常判定ステップ及び前記回転異常判定ステップの判定結果に基づいて、前記ヒートシンクの温度異常又は前記冷却ファンの回転異常の有無を判定する異常判定ステップと、
前記異常判定ステップによって前記ヒートシンクの温度異常又は前記冷却ファンの回転異常が発生したと判定された場合に、異常信号を生成する異常信号生成ステップと、
を含み、
前記異常判定ステップにおいて、最初に前記回転異常判定ステップによって前記冷却ファンの回転異常の有無を判定し、その結果、回転異常有りと判定された場合、処理を終了して前記異常信号生成ステップに移行し、回転異常無しと判定された場合、次に前記温度異常判定ステップによってヒートシンクの温度異常の有無を判定し、その結果、温度異常有りと判定された場合、処理を終了して前記異常信号生成ステップに移行するものである、
前記各ステップをコンピュータが実行するモータ駆動方法。